Снижение шума в системах ADC для повышения точности сигнала

Основные методы снижения шума квантования

1.Усиление резолюции АДК

Наиболее прямой подход к снижению шума квантования заключается в увеличении количества битов ADC. 12-битный ADC предлагает 72 дБ SQNR, в то время как 16-битный ADC обеспечивает улучшение 96 дБ - улучшение 24 дБ. У ADC с более высоким разрешением меньше шагов квантования, сужение диапазона ошибок и снижение мощности шума. Однако ADC с более высоким разрешением имеют компромиссы: они часто потребляют больше энергии, требуют более длительного времени преобразования (ограничение полосы пропускания) и имеют большую площадь кремния. Кроме того, для данной технологической технологии внутренний шум от аналогового интерфейса (тепловой шум, мерцающий шум) может доминировать за пределами определенного разрешения, что делает дальнейшее увеличение бита неэффективным. Таким образом, увеличение разрешения является необходимой, но часто недостаточной стратегией.

2. Пересмотр выборки

Образование включает в себя отбор проб входного сигнала со скоростью , намного превышающей скорость Nyquist, где ], где ], где ], где ], где ], где ], где ], где ], где ], ], ], , ,], , , [[FLT:]], , , , [[FLT]],

3. Шумообразование с помощью модуляции Delta-Sigma

Формирование шума является краеугольным камнем современных преобразователей ADC высокого разрешения, в частности дельта-сигма (ΔΣ) преобразователей. В модуляторе ΔΣ ошибка квантования не просто добавляется к выходу; вместо этого она подается обратно и фильтруется так, что большая часть мощности шума выталкивается на высокие частоты за пределами полосы сигнала. Шум квантования в полосе сильно ослабляется. Модулятор использует грубый (часто 1-битный) квантователь, работающий при высоком соотношении перебора, но фильтр для формирования шума ослабляет шум квантования в низкочастотной области на 20–60 дБ в десятилетие, в зависимости от порядка фильтра.

Модулятор первого порядка ΔΣ достигает улучшения SQNR dB, в то время как модулятор второго порядка дает dB. Практические конструкции часто используют порядки от 2 до 5 для достижения эффективного разрешения 16-24 бит с коэффициентами пересчета 64-256. После модулятора цифровой фильтр децимации удаляет шумы и пробы понижания до скорости Nyquist. Этот подход широко используется в аудио ADC , точного измерения и сенсорных интерфейсах , где высокое разрешение (20+ бит) требуется при умеренной полосе пропускания (до нескольких мегагерц).

4. Разногласие

Дитер — это намеренное добавление небольшого количества случайного шума (обычно нескольких LSB в амплитуде) к аналоговому входному сигналу перед квантованием. В то время как контринтуитивное дитеринг может улучшить точность сигнала, разбив детерминированный паттерн в ошибке квантования. Без дитера ошибка квантования коррелирует с входным сигналом, производя гармоническое искажение и идл-тоны — тональные артефакты, которые более слышимы или хлопотны, чем случайный шум. Добавление дитера рандомизирует ошибку, линеаризируя передаточную функцию квантователя. Результатом является подавление ложных тонов и более гауссовского шумового пола, улучшая ложно-свободный динамический диапазон (SFDR).

Дитер должен быть тщательно откалиброван: слишком мало не может скорректировать ошибку; слишком много поднимает общий шум и уменьшает SNR. Как правило, дитер с амплитудой 1-2 LSB (пик к пику) является оптимальным. Многие высокопроизводительные ADC включают встроенные генераторы дитера. Внешний дитер также может быть введен, но он должен быть правильно отфильтрован перед входом ADC, чтобы избежать загрязнения из диапазона. Дитеринг распространен в цифровом аудио , радарных приемниках и тестировании и измерении оборудовании.

Передовые и дополнительные методы

Многобитная квантование и динамическое сопоставление элементов

В модуляторах ΔΣ, используя многобитный квантователь (например, 3-битный или 4-битный вместо 1-битного) уменьшает размер шага квантования внутренне, понижая уровень шума перед формированием. Однако многобитные DAC с обратной связью страдают от ошибок несоответствия элементов, которые вводят гармоническое искажение и ухудшают линейность. Динамическое соответствие элементов (DEM) алгоритмы, такие как усреднение с учетом данных (DWA) или перетасовка бабочек рандомизируют использование элементов DAC, преобразуя ошибки несоответствия в форменный шум. В сочетании с передовыми топологиями модуляторов (каскадные, кормовые), многобитное квантование может достичь SQNR, превышающего 100 дБ со скромными коэффициентами пересбора.

Цифровая постобработка и калибровка

Современные ADC часто включают цифровые блоки для дальнейшего уменьшения артефактов квантования. Цифровая калибровка может исправить ошибки усиления, смещение и проблемы линейности. Методы на основе корреляции оценивают ошибку квантования и вычитают ее в цифровом домене, эффективно увеличивая ENOB. Например, в , пипелином ADC, цифровая коррекция для межэтапных ошибок усиления и несоответствий конденсатора является стандартной. Другой подход использует отмену шума, добавив второй ADC с низким разрешением для захвата ошибки квантования, а затем вычитает его после цифровой обработки (аналогично , вспышка ADC с тонким квантователем.

Субранжирование и двухступенчатая архитектура

Подстановка ADC использует грубое преобразование для идентификации области, затем тонкое преобразование в этой области. Это снижает эффективный этап квантования, не требуя полного линейного ADC высокого разрешения. Современные пипелированные ADC расширяют этот принцип с несколькими этапами, каждый из которых разрешает несколько битов, в то время как коррекция цифровых ошибок компенсирует смещения компараторов. Эти конструкции достигают высоких скоростей выборки (сотни MSPS) при сохранении 12-16 бит разрешения.